第二章-2014

结 构
功能的分解和组合关系称为功能结构。 同级分功能组合起来应满足上一级分功能的 要求，最后组合的整体应满足总功能的要求。
16
§1
功 能 结 功 构 载 体 组 合 系 统 边 界 功能元 —— 具有确切功能的基本单元。 功能载体——实现相应功能的实体结构。 齿轮传动 功能元 —— 动力和运动的传递 功能载体 —— 一对齿轮或齿轮箱 在产品的系列化、模块化设计中，通用的独 立部件或模块都可以作为功能载体。
5
2.设计任务抽象化
§1
根据外部系统的关系，明确功能要求
是一种思维方式和工作方法。通过分析设计任务 的基本功能要求，把设计任务抽象为只表达其核心任务 的简单模式，不涉及具体的解决方案和途径。使设计者 视野更宽广，思维不易受到某些框框的束缚，有利于创 造新的方案。
黑箱 是研究同外部系统相互关系的有效工 具。
6
§1
黑箱是指仅知输入量和输出量而不知其内部结构的 设计过程就是逐 表述设计任务的一种模式。 步打开黑箱，确定其内部结构，实现由输入量转化为 输出量的过程。 来自外界的影响 输入物料 输入能量 待设计 黑 箱 技术系统 输出物料 输出能量
黑 箱 模 型
输入信息
输出信息
对外界的影响
7
§1 自 走 式 谷 物 联 合 收 获 机
27
§1 6. 确定基本结构布局
结构布局是指结构元件（功能载体）在空间的 相对位置。 不同的结构布局会得到不同的总体设计方案，
得到不同的外形、总体布置和技术性能，产生不同
的技术经济效果。 结构布局不考虑各部分的具体尺寸，是总体布
置设计的前提。
28
联合收获机的结构布置
东风 A发动机 B驾驶室 C粮箱 JD-7700
统。有的转化靠机械系统实现，有的转化靠人的参
14
§1
根据技术过程，确定功能载体组合
5. 引 进 技 术 系 统
确 定 系 统 边 界
具 体 步 骤
确定功能结构 确定功能载体组合 确定系统边界
15
§1
功 能 功能是系统的属性，表明系统的效能及可能 结 实现的物料、能量、信息传递和转换的能力。 （ 1 ） 构 确 系统常具有多项功能，比如基本功能、辅助 载 定 功能等，可进行功能分解。在系统分解的基础上逐 体 功 项逐级分解，直至找到不宜再分解的功能元及相应 组 能 的功能载体为止。 合 系 统 边 界
9
§1
同 一 物 理 效 应 可 实 现 多 种 转 化 一 种 转 化 可 由 多 种 物 理 效 应 来 实 现
杠杆
摩擦
力参数转化
位移参数转化 能量参数转化
切刀切割 谷收 切断作物茎杆 籽穗分离 冲击、揉搓和挤压作用 物 获 联 谷粒同茎杆和颖 振动、气流和重力作用 机 合 壳等杂物分离 复杂的转化有时需要多种工艺原理组合使用，应注 意不同工艺原理组合与连接的适宜性和相容性。
(i ) Sk
/Σ
Vk
(i)
P1 0 0 0.5
P2 1 0 0
P3 0.5 1 0
P4 0.5 0 1 0 0
P5 1 1 1
方 案 设 计 的 工 作 内 容
研究给定任务 根据给定任务，明确核心要求和约束条件 设计任务抽象化 根据同外部系统的联系，明确功能要求 确定工艺原理 根据功能要求，选择工艺原理 确定技术过程 根据功能关系，明确工艺流程 引进技术系统并确定系统边界 根据技术过程，确定功能载体组合 确定基本结构布局 根据功能载体组合，确定空间位置 设计方案评价 根据系统指标，确定技术方案
17
能 元 和 功 能 载 体
§1
功 能 结 构 载 体 组 合 系 统 边 界
材料试验机的功能结构
加载能量
试 信 件 号 利用力和 变形能 变形后的试件
变形关系
检验试件
力信号 变形信号
主要功能是试件加载和参数测量。
18
§1
功 能 结 构
材料试验机的功能结构
共有4个主要分功能， 形成一定功能结构
30
§1
通常采用简便易行的评分法。
方 案 评 价 方
法
具体步骤
单一指标各方案的相对得分 单一指标所有方案的总得分
多指标各方案的加权综合评分
从不同的角度对方案的评价，例如功能、费用、时间、 可靠性、外观、环境影响等。
31
i —指标序号 k j —方案序号
相对得分
两两比较 相邻比较 1 (k =1 ) ak (k >1 ) 1 (k =1 )
土壤 湿度 温度 风 谷物 谷粒、茎杆、颖壳
驱动能
驱动信号 自走式谷物 联合收获机
工作机构能量
显示信号
噪声 废气 振动
通过任务抽象化，明确功能要求。
8
3.确定工艺原理 根据功能要求，选择工艺原理
工艺原理是指各种物理效应的具体应用。
§1
物理效应包括物理学、化学、生物学等自然科学中的定理、 定律、原理和效应。 同一物理效应往往可以实现多种作业对象的转化，一种 转化常可以由多种物理效应来实现。 不同的工艺原理将使机械系统具有不同的技术经济效果， 因此设计时应从各种可行的工艺原理中择优选用。
放大 比较
能量转换为 力和位移 调节能 量大小
测力
力信号
测变形
变形信号
变形能
试件加载
材料试验机
变形后的试件
得到完善的功能结构图
20
功 能 结 构 载 体 组 合 系 统 边 界
（2）功能载体组合
§1
实现一项功能常可采用多种不同的功能载体。为 获得满意的总体方案，应寻找合适的功能载体及其组 合。形态学矩阵是有效方法。
4
1.研究设计任务
§1
根据给定任务，明确核心要求和约束条件
虽然在开发计划书中明确了设计的任务、目的和要 求，但可能存在不确切、不合适甚至相互矛盾的要求。 例如强度与轻量化、精度与经济性、性能指标与已有技 术水平及条件等。
必须对各项要求逐项分析，明确核心要求和约束条
件，必要时提出修改和补充建议，对相互矛盾的要求提 出解决方法。
共有 6×5×4×4×3=1440 种组合 剩有 2×4×3×3×3= 216 种组合
§1
功 能 结 构 载 体 组 合 系 统 边 界
挖掘机的形态学矩阵
目标标记 —— 分功能 目标特征 —— 分功能的 各种解法
分功能 解 法 (目 标 特 征) 1 2 3 4 5 6 (目标标记) A 动力源 电动机 柴油机 汽油机 蒸汽透平 液动机 气动马达 B 移位传动 齿轮 蜗轮 链传动 皮带传动 液力耦合 C 移位 履带 轮胎 气垫式 轨道—车轮 D 取物传动 拉杆 钢丝绳 油缸 气缸 E 取物 挖斗 钳式斗 抓斗
§1
根据技术过程，确定功能载体组合
5. 引 进 技 术 系 统
技术系统是实现技术过程各项转化的人为系
确 与完成。需要根据技术过程的要求确定机械系统的 定 系 具体任务。良好的技术系统应是合理的机械系统与 统 人的完美结合。 边 例如联合收获机作业速度是否自动控制（根 界
据发动机负荷、脱粒部件负荷、脱粒质量……）
∑能量 技术系统边界
能量转化
能量转化 连接、支承过程
∑伴生 输出
12
连接过程和支承过程
联合收获机的技术过程主流程
人 扶 持 谷 物 茎 秆 切 断 谷 物 茎 秆 技术系统 脱粒 主要功能
§1
谷 物
冲击 揉搓 挤压
杂余
分离
新的工艺流程？ 长茎秆
联合收获机
清选 振动 气流
短茎秆 颖壳 灰尘等
谷粒
13
对于复杂系统，可先建立分功能的形态学矩阵，
考虑局部设计方案后再综合为整体方案。 分析前应将明显不合理或意义不大的方案先舍弃，
集中精力研究合理可行的组合。
21
§1
功 能 结 构 载 体 组 合 系 统 边 界 目标标记 —— 分功能 挖掘机的形态学矩阵 目标特征 —— 分功能的 各种解法
分功能 解 法 (目 标 特 征) 1 2 3 4 5 6 (目标标记) A 动力源 电动机 柴油机 汽油机 蒸汽透平 液动机 气动马达 B 移位传动 齿轮 蜗轮 链传动 皮带传动 液力耦合 C 移位 履带 轮胎 气垫式 轨道—车轮 D 取物传动 拉杆 钢丝绳 油缸 气缸 E 取物 挖斗 钳式斗 抓斗
1
本 章 提 要
方案设计的内容 总体设计的内容 总体布置的基本要求 总体主参数确定
2
§1 机械系统的方案设计
机械设计的整个过程，是从抽象到具 体、从模糊到明朗、逐步完善的过程，也 是创造性思维同工程技术文件相结合的过 程。 方案设计是机械系统设计的核心环节， 是保证设计水平和质量的重要阶段。
3
§1
多指标加权评分
Sk = Σ
i
~(i)
( i) Wi Vk
32
相对得分
i —指标序号 k j —方案序号 两两比较 方案总分
(i ) Sk = ( i) Vk =
S kj =
(i )
1 (Pk优于Pj ) 0.5 (Pk、Pj相当) 得分率 0 (Pk劣于Pj或k = j )
S kj
(i)
Σj
(i ) S kj (i ) Sk k
部系统与外部系统的分界。
划分系统边界的主要依据 人机分工
同外部系统的影响
25
功 能 结 构 载 体 组 合 系 统 边 界
确定系统边界
——根据人机分工的要求
§1
技术过程中的很多转化程序既可以由机械系统完成， 也可由操作者参与完成。 例如工件的定位、夹紧、调整、测量；
温度、压力、速度、物流量的控制等。 不同的人机分工体现了系统的机械化、自动化程度，
§1
丰收3.0
发动机后置保养空间大， 适合较大发动机，驾驶条 件好。但粮箱空间小，保 养不方便。
发动机前置便于保养维护， 适合大粮箱。但发动机保养 空间小，振动、噪声、温度 对驾驶员影响大。
29
7. 方案评价
最后确定设计方案提供信息和依据。
§1
通过技术、经济、外部环境等方面的评价，为
方 案 评 价 的 目
测力 能量转换为 力和位移 力信号
载 加载能量 体 组 信 号 合 系 试 件 统 边 界
测变形
变形信号
变形能
试件加载 材料试验机
变形后的试件
完善功能结构的内容主要是试件装卡和加载控制。 19
§1
功 能 结 构 标准量 载 加载能量 体 组 信 号 合 系 统 边 界
试 件 装卡试件
材料试验机的功能结构
(i ) S k (k
方 案 评 价 方
法
(i ) S kj =
1 (Pk优于Pj ) (i) S 0.5 (Pk、Pj相当) k = 0 (Pk劣于Pj或k = j )
(i ) Sk =
方案总分
Σj
(i ) S kj
(i) Sk =

k
>1 )
(i ) i) 得分率(归一化处理) Vk( i)= S ( k /Σ S k k
10
4.确定技术过程 根据功能关系，明确工艺流程
§1
技术过程是按照选定的工艺原理确定作业转化所 需的流程，流程中规定了每一种转化程序的相应功能
要求。 作业对象本身的转化为主流程。为实现主流程通常 需要其他辅助流程的补充和支持。例如作业对象的支承、
定位、夹紧，驱动能量的转换、输入和传递，各种信息 量的检测、操纵、调整、控制等。因此技术过程是若干
履带式挖掘机
A2 +B1 +C1 +D2 +E1 A5 +B5 +C2 +D3 +E1
液压轮式挖掘机
§1
功 能 结 构 载 体 组 合 系 统 边 界
履 带 式 挖 掘 机
柴油机、齿轮传动、履带式、绳传动、挖斗
24
功 能 结 构 载 体 组 合 系 统 边 界
（3）确定系统边界
§1
系统边界是指技术系统功能范围的界限，即内
并影响系统的复杂程度和制造成本。 提高机械化、自动化程度对于提高系统性能、保证
运行质量和可靠性、提高生产率有着显著效果。
26
Βιβλιοθήκη Baidu 功 能 结 构 载 体 组 合 系 统 边 界
确定系统边界
——根据同外部系统的影响
§1
技术系统在转化过程中同外部环境有密不可分的联 系： 受外部环境的影响和干扰，例如温度、湿度、 尘埃、振动、噪声及外部能量的稳定性。 对外部环境产生影响。 是否对这些影响和干扰进行控制以及怎样控制也是 确定系统边界的依据。
分过程和工序组合而成的复合过程。
11
技术过程的一般模式
影响因素（人 ∑干扰伴 生输入 ∑信号 检测 工作过 程准备 调节 … 控制 主流程 技术系统 情报 领导 工作条件）
§1
控制及调节过程
∑作业对象 状态1
转化1
转化2
转化n
结束
∑作业对象 状态2
∑物料
工艺过程 物料转化 物料转化
辅助过程 驱动过程
的
技术评价：对所设计方案能否实现预定的功能要求
及实现预定功能要求得优劣程度进行评价。
经济评价：对所设计方案的经济性进行评价。
外部环境评价：对所设计方案可能产生的社会效益 和环境影响进行评价。 是否符合国家有关的政策法令法规、经济发展、 投入产出比、性能价格比、成本和利润、资金 技术上的可行性、适用性、先进性、可靠性、 市场前景、生态环境、生产的安全性、环境 占用等 完善性等 变化的适应性、资源及能源的利用状况等